DE2950209A1 - ELECTROOPTIC OSCILLATOR AND METHOD FOR OPERATING THE SAME - Google Patents
ELECTROOPTIC OSCILLATOR AND METHOD FOR OPERATING THE SAMEInfo
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Description
United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.
Elektrooptischer Oszillator und Verfahren zum Betreiben desselben Electro-optical oscillator and method of operating the same
Die Erfindung bezieht sich auf Instrumente und betrifft insbesondere elektrooptische Geräte zum Ermitteln von Änderungen in der Höhe einer Flüssigkeit, der Verlagerung einer Fläche und von Änderungen in der Temperatur, im Druck, in der Fluidgeschwindigkeit und dgl.The invention relates to instruments, and particularly relates to electro-optical devices for detecting changes in the level of a liquid, the displacement of a Area and changes in temperature, pressure, fluid velocity and the like.
Die Vorteile von verbesserten Verfahren und Geräten zum Beobachten und Aufzeichnen von Test- oder Betriebsdaten sind bekannt. Diese Daten könnten Beobachtungen des Arbeitens von Maschinen in einer Fertigungsanlage, Aufzeichnungen von Informationen aus einem Experimentierprogramm oder die Erfassung des Druckes oder der Geschwindigkeit irgendeines Mediums, das einer Änderung ausgesetzt ist, sein. In einigen Fällen ist die Hauptanforderung, die an das Gerät gestellt wird, eine extreme Genauigkeit, da die Variable, wieThe benefits of improved methods and equipment for Observation and recording of test or operating data are known. These data could be observations of the work of machines in a manufacturing plant, records of information from an experiment program or the Detection of the pressure or the speed of any medium that is subject to change. In some Cases, the main requirement placed on the device is extreme accuracy, since the variables such as
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die Verlagerung oder die Temperatur, mit großer Präzision bestimmt werden müssen. Systeme, die hauptsächlich unter Berücksichtigung der Genauigkeit ausgelegt sind, sind häufig optische Systeme oder haben irgendeine Art von frequenzempfindlichem Ausgang. Außerdem ist der Bedarf an Fühlern, die ein Ausgangssignal haben, das mit moderner Digitalelektronik kompatibel ist, gestiegen. In anderen Fällen wird großer Wert auf zuverlässiges Arbeiten in einem Gebiet mit starken elektrischen oder magnetischen Feldern oder mit einem rauschbehafteten elektrischen Hintergrund gelegt. In noch weiteren Fällen werden Robustheit und Zuverlässigkeit verlangt, weil eine besonders nachteilige Umgebung und ein schwierig zugängliches Gebiet vorliegen. Die diesbezüglichen älteren Geräte sind wegen ihrer Robustheit und Einfachheit meist mechanisch aufgebaut, während die jüngeren Systeme aus Gründen der Vereinfachung und einer besseren Genauigkeit Elektronik enthalten. Einige interessierende Systeme basieren auf einer klugen Verwendung von optischen oder akustischen Einrichtungen oder von Kombinationen der beiden. In jedem Fall scheint es einen unersättlichen Bedarf an billigeren, genaueren, robusteren und zuverlässigen Fühlern zu geben, insbesondere an solchen, die an eine Digitalelektronik anschließbar sind.the displacement or the temperature must be determined with great precision. Systems mainly under Designed with accuracy in mind, they are often optical systems or have some type of frequency sensitive Exit. Also, there is a need for sensors that have an output signal that is compatible with modern digital electronics compatible has increased. In other cases, great emphasis is placed on working reliably in an area with strong electric or magnetic fields or with a noisy electrical background. In still In other cases, robustness and reliability are required because of a particularly adverse environment and difficult accessible area. The related older devices are mostly because of their robustness and simplicity mechanically constructed, while the younger systems for the sake of simplicity and better accuracy electronics contain. Some systems of interest are based on clever use of optical or acoustic Bodies or combinations of the two. In any case, there seems to be an insatiable need for cheaper, to give more precise, more robust and reliable sensors, especially those that can be connected to digital electronics are.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß ein Detektorinstrument hoher Auflösung möglich ist, indem eine einfache elektrische Schaltung und ein optischer Wellenleiter in einem einzigen integrierten System zusammengefaßt werden, das eine Eigenresonanzfrequenz hat und in der Lage ist, in einem Bereich von Hochfrequenzen (HF) zu schwingen. Im Grunde wird die Resonanzfrequenz der Schaltung zu einer Funktion einer linearen Abmessung in der Schaltung. Die optische Bezugsweglänge erfordert eine feste Zeit für einen einzigen Umlauf eines optischen Impulses undThe invention is based on the finding that a high resolution detector instrument is possible by combining a simple electrical circuit and an optical waveguide in a single integrated system that has a natural resonance frequency and is capable of measuring in a range of radio frequencies (RF) to swing. Basically, the resonant frequency of the circuit becomes a function of a linear dimension in the circuit. The reference optical path length requires a fixed time for a single round trip of an optical pulse and
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Änderungen der optischen Weglänge ändern die HF-Frequenz einer elektrooptischen Schaltung. Das Target oder Objekt, das überwacht wird, ist so ausgerichtet, daß es eine Änderung um ein vorhersagbares gewisses Ausmaß in der optischen Weglänge für jede entsprechende Änderung in der überwachten Eigenschaft verursacht. Bekannte Elektronikschaltungen verfolgen jegliche Frequenzänderungen und die charakteristischen HF-Signale können leicht ausgekoppelt und in nutzbare Informationsformen umgewandelt werden.Changes in the optical path length change the RF frequency of an electro-optical circuit. The target or object that is being monitored is designed so that there is a predictable change in the optical Path length caused for each corresponding change in the monitored property. Known electronic circuits track any frequency changes and the characteristic RF signals can easily be decoupled and converted into usable forms of information.
Ein Hauptziel der Erfindung ist es, Änderungen einer Eigenschaft eines Mediums mit dem physikalischen Zustand des Mediums zu korrelieren. Dieses Ziel beinhaltet das Messen von Parametern, wie dem Druck, der Temperatur, der Geschwindigkeit, der Verlagerung und des Spielraums oder der Spaltweite.A main object of the invention is to detect changes in a property of a medium with the physical state of the medium to correlate. This goal includes the measurement of parameters such as pressure, temperature, the Speed, the displacement and the margin or the gap width.
Gemäß der Erfindung enthält ein elektrooptisches Instrument eine elektrische Schaltung mit einem Wellenleiterweg für optische Strahlung. Es wird ein druckempfindliches, temperaturempfindliches oder lageempfindliches Bauteil als ein Element in einem Oszillator benutzt, der eine Resonanzfrequenz hat, die eine Funktion einer linearen Abmessung in dem optischen Zweig des Oszillators ist. Jede Änderung im Druck, in der Temperatur oder in der Lage, je nachdem, verursacht eine Änderung in der Zeit, die die HF-amplitudenmodulierte optische Trägerfrequenz benötigt, um einen Umlauf auf dem optischen Weg auszuführen. Diese Änderung bewirkt ihrerseits, daß sich die Resonanz-HF-Frequenz der Schaltung ändert. Insbesondere enthält die Grundschaltung eine Quelle amplitudenmodulierter optischer Strahlung, einen optischen Detektor und einen Detektorsignalverstärker und die Schaltung steht mit einem Target über einen Wellenleiter in Verbindung. In einerAccording to the invention, an electro-optic instrument includes an electrical circuit having a waveguide path for optical radiation. It becomes a pressure-sensitive, temperature-sensitive or position-sensitive component used as an element in an oscillator that has a resonant frequency that is a function of a linear one Dimension in the optical branch of the oscillator is. Any change in pressure, temperature, or capable, as the case may be, causing a change in time that the RF amplitude modulated optical carrier frequency required to make one revolution on the optical path. This change in turn causes the resonant RF frequency the circuit changes. In particular, the basic circuit contains an amplitude-modulated source optical radiation, an optical detector and a detector signal amplifier and the circuit is connected to one Target connected via a waveguide. In a
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besonderen Ausführungsform ist der Wellenleiter eine Faseroptik und das Target ist eine reflektierende Fläche, die auf dem Ende der Faser gebildet ist. Die optische Strahlung kann entweder kohärent oder inkohärent sein und jede zweckmäßige Wellenlänge haben. Es können sowohl Hohlröhren- als auch Faseroptikwellenleiter benutzt werden.The waveguide is a special embodiment Fiber optics and the target is a reflective surface formed on the end of the fiber. The optical one Radiation can be either coherent or incoherent and of any convenient wavelength. Both hollow tube as well as fiber optic waveguides can be used.
Der Oszillator ist so ausgelegt, daß er im Betrieb bei Hochfrequenzen in Resonanz ist. Das Ausgangssignal der optischen Quelle wird mit einsr geeigneten HF--Freqenz amplitudenmoduliert, an einer Targetfläche reflektiert, zu dem optischen Detektor geleitet und in ein elektrisches HF-Signal umgewandelt. Das Ausgangssignal des Detektors wird verstärkt und zum Ansteuern der optischen Quelle benutzt. Die zu messende Eigenschaft wird so eingestellt, daß jegliche Änderungen dieser Eigenschaft eine effektive Änderung der Zeit, die die optische Strahlung benötigt, um von der Quelle zu dem Detektor zu gehen, verursachen.The oscillator is designed to be in resonance when operating at high frequencies. The output signal of the optical source is amplitude modulated with a suitable HF frequency, reflected on a target surface, passed to the optical detector and converted into an electrical RF signal. The output of the detector is amplified and used to control the optical source. The property to be measured is set so that that any change in this property is an effective change in the time required for the optical radiation, to go from the source to the detector.
Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist ihre Anpaßbarkeit an die Verwendung von Strahlung mit optischer Wellenlänge. Ein Wellenleiter verbindet die Verarbeitungsschaltung und die Fühler- oder Targetschnittstelleneinrichtungen. Die Frequenz der elektronischen Schaltung ändert sich in Abhängigkeit von der Änderung des gemessenen Parameters. Das Gesamtinstrument arbeitet mit einem Oszillator, der einen optischen und einen elektrischen RUckkopplungsweg hat, der auf die Zeit anspricht, die die optische Strahlung benötigt, um einen Umlauf in dem optischen Teil der Schaltung auszuführen. Für die meisten Verwendungszwecke können Änderungen in dem Systemausgangssignal aufgrund von Umgebungsbedingungen mit Geräten, in denen zwei Wellenleiter benutzt werden, unterdrückt werden.A main feature of the invention is its adaptability to the use of radiation of optical wavelength. A waveguide connects the processing circuitry and the probe or target interface devices. The frequency of the electronic circuit changes depending on the change in the measured parameter. The entire instrument works with an oscillator, which has an optical and an electrical feedback path which is responsive to the time it takes for the optical radiation to make one revolution in the optical part of the Perform circuit. For most uses, changes in the system output signal can be due to suppressed by environmental conditions with devices in which two waveguides are used.
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für das Abfühlen von Eigenschaften in rauhen Umgebungen, insbesondere solchen, die einen hohen Pegel an elektrischem Rauschen in der Nachbarschaft der Abfühlstelle enthalten» Keine elektrischen oder elektronischen Netzteile brauchen in der Abfühlstation angeordnet zu sein. Darüber hinaus wird das Erfordernis, elektronische oder mechanische bewegte Teile kühlen zu müssen, beseitigt. Außerdem sind keine Strom- oder Signalverbinder in der Abfühlstation erforderlich. Das gesamte Gerät ist einfach, genau, klein und zuverlässig. Weiter liefern diese elektrooptischen Geräte ein HF-Ausgangssignal mit einer Eigenfrequenz, die zu dem gemessenen Parameter proportional ist, weshalb diese Geräte mit einer digitalen Elektronikschaltung kompatibel sind und an diese leicht angeschlossen werden können.The invention is particularly advantageous for sensing properties in harsh environments, especially those that contain a high level of electrical noise in the vicinity of the sensing point »No electrical or electronic power supplies need to be located in the sensing station. In addition, will eliminates the need to cool electronic or mechanical moving parts. Besides, there aren't any Requires power or signal connectors in the sensing station. The whole device is simple, accurate, small and reliable. They also supply electro-optical devices an RF output signal with a natural frequency proportional to the measured parameter, which is why these devices are compatible with and can be easily connected to a digital electronic circuit.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:Several embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawings described in more detail. It shows:
Fig. 1 ein Schema eines elektrooptischen GerätesFig. 1 is a diagram of an electro-optical device
nach der Erfindung in vereinfachter Gesamtform, according to the invention in a simplified overall form,
Fig. 2 ein vereinfachtes Schema einer besondereren Ausführungsform, die ein Flüssigkeitsbarometer darstellt,Fig. 2 is a simplified diagram of a particular embodiment, which is a liquid barometer represents
Fig. 3 ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsform, die einen Differenzdruckfühler darstellt, Fig. 3 is a simplified diagram of an embodiment showing a differential pressure sensor;
Fig. 4 ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsform, die zum Messen der Temperatur eines Fluids dient,4 shows a simplified diagram of an embodiment, which is used to measure the temperature of a fluid,
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Fig. 5 ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsform, die zum Messen der Geschwindigkeit eines Fluids in einem Venturi-Rohr dient,5 shows a simplified scheme of an embodiment, which is used to measure the speed of a fluid in a venturi tube,
Fig. 6 ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsform, die zur Druckmessung mit einem Pitot-Rohr dient,6 shows a simplified diagram of an embodiment which is used for pressure measurement with a pitot tube serves,
Fig. 7 ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsform, die zum Messen der Verlagerung eines starren Elements, wie einer Welle, dient,7 is a simplified diagram of an embodiment used for measuring the displacement of a a rigid element, such as a shaft,
Fig. 8 ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsform, die bei einem Aneroidbarometer verwendbar ist, und8 shows a simplified diagram of an embodiment which can be used with an aneroid barometer is and
Fig. 9 ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsfora. mit einem Bimetallstreifen zur Temperaturmessung. 9 shows a simplified diagram of an embodiment. with a bimetal strip for temperature measurement.
Ein elektrooptischer Oszillator 10, der einen elektronischen Zweig 12 und einen Zweig 14 mit einem optischen Wellenleiter gemäß der Erfindung hat, ist in Fig.1 schematisch dargestellt. Der elektronische Zweig enthält eine Quelle 16 elektromagnetischer Strahlung, wie eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode (LD), einen HF-Ausgangskoppler 18, einen Verstärker 20 und einen Photodetektor 22. Der Wellenleiterteil 14 enthält, wie dargestellt, einen optischen Wellenleiter 24 und einen Strahlteiler 26, der bei der Wellenlänge eines Bündels 28 elektromagnetischer Strahlung, die durch die Quelle 16 emittiert wird, teilweise durchlässig ist. In der einfachen Form von Fig. 1 spricht der Fühler nach der Erfindung auf die Bewegung einer reflektierenden Fläche 30 eines Targets 32 an. Die folgende Be-An electro-optical oscillator 10 comprising an electronic branch 12 and a branch 14 with an optical waveguide according to the invention is shown schematically in Fig.1. The electronic branch contains a source 16 electromagnetic radiation, such as a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD), an HF output coupler 18, an amplifier 20 and a photodetector 22. The waveguide portion 14 includes, as shown, an optical one Waveguide 24 and a beam splitter 26 which, at the wavelength of a beam 28 of electromagnetic radiation, emitted by the source 16 is partially transparent. In the simple form of Fig. 1, the speaks Sensor according to the invention to the movement of a reflective surface 30 of a target 32. The following
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Schreibung wird noch deutlicher machen, daß dieser elektrooptische Oszillator so ausgebildet werden kann, daß er den Druck, die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit, das Spiel und eine Vielzahl anderer interessierender Größen abfühlt.Writing will make it even clearer that this is electro-optical The oscillator can be designed in such a way that it controls the pressure, temperature, flow rate, the game and a variety of other quantities of interest.
Die Arbeitsweise des Systems wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Das Strahlungsbündel 28 aus der Quelle 16 wird über den Wellenleiter 24 zu der reflektierenden Fläche 30 des Targets 32 geschickt- Ein Teil dieses Strahlungsbündels wird an dem Target reflektiert und zu dem Photodetektor geschickt. Ein Detektorausgangssignal 34 wird dem Verstärker 20 zugeführt und ein Verstärkerausgangssignal 36 bildet ein moduliertes Ansteuersignal für die Quelle 16. Dem Verstärker wird Strom aus einer nichtdargestellten äußeren Quelle zugeführt.The operation of the system will be described with reference to FIG. The radiation beam 28 from the source 16 is sent via the waveguide 24 to the reflective surface 30 of the target 32 - a portion of this radiation beam is reflected off the target and sent to the photodetector. A detector output 34 is fed to the amplifier 20 and an amplifier output signal 36 forms a modulated control signal for the source 16. Power is supplied to the amplifier from an external source, not shown.
Mehrere Ausführungsformen der Erfindung kombinieren optische Hellenleiter und die beschriebene Grundschaltung mit Fluidvorrichtungen zum Messen der Temperatur, des Druckes und der Geschwindigkeit eines Fluids derart, daß sich die Oszillatorfrequenz in Abhängigkeit von der gemessenen Eigenschaft ändert. In ähnlicher Weise messen optische Wellenleiter in Kombination mit der Schaltung Verlagerungen und liefern Informationen über die zu messende Eigenschaft, ohne daß Fluidvorrichtungen verwendet werden.Several embodiments of the invention combine optical waveguides and the basic circuitry described with fluid devices for measuring the temperature, pressure and velocity of a fluid such that the oscillator frequency changes depending on the measured property. Similarly, optical waveguides measure in combination with the circuit relocations and provide information about the property to be measured without using fluid devices.
Zum Verständnis der Theorie, auf der die Arbeitsweise der im folgenden beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung beruht, werden die folgenden Erläuterungen gegeben. Der Wellenleiter führt Strahlung, bei der es sich um eine amplitudenmodulierte inkohärente Welle handelt, zu einer reflektierenden Fläche. Licht wird zurück durch den Wellenleiter reflektiert und zu dem Photodetektor geleitet, der das Strahlungsbündel in ein elektrisches Signal umwandelt, das seinerseits verstärkt und zum Ansteuern der Leuchtdiode oder Strahlungs-In order to understand the theory on which the operation of the various embodiments of the Invention, the following explanations are given. The waveguide carries radiation, which is a amplitude-modulated incoherent wave becomes a reflective one Area. Light is reflected back through the waveguide and directed to the photodetector, which uses the Converts radiation beam into an electrical signal, which in turn amplifies and controls the light-emitting diode or radiation
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bündelquelle benutzt wird. Das stellt einen elektronischen Oszillator mit einem optischen Rückkopplungsweg dar. Die Schwingungsfrequenz hängt von der Amplitudenmodulation des Strahlungsbündels aus der Leuchtdiode ab und erfordert, daß die Phasenlaufzeit des HF- Signals gleich einer ganzen Zahl von Frequenzperioden ist. Für diese Schwingungsfrequer.z gilt folgende Beziehung:bundle source is used. This represents an electronic oscillator with an optical feedback path. The oscillation frequency depends on the amplitude modulation of the radiation beam from the light-emitting diode and requires that the phase delay of the RF signal is equal to an integer number of frequency periods. The following relationship applies to this oscillation frequency:
ff -^-TT-- ^ - TT-
wobeiwhereby
TQ die Umlaufphasenzeitverzögerung des modulierten HF-Signals auf dem die inkohärente optische Trägerwelle führenden Wellenleiter, τ die Zeitverzögerung des HF-Signals durch denT Q is the round trip phase delay of the modulated RF signal on the waveguide carrying the incoherent optical carrier wave, τ is the time delay of the RF signal through the
elektrischen Schaltungsteil der Rückkopplungsschleife, und electrical circuit part of the feedback loop, and
m die Zahl der in der gesamten Schleife gespeicherten halben HF-Wellenlängen ist.m is the number of half the RF wavelengths stored in the entire loop.
Unter der Annahme, daß die elektrische Laufzeit im Vergleich zu der optischen Laufzeit vernachlässigbar ist, kann die Gleichung (1) folgendermaßen vereinfacht werden:Assuming that the electrical delay is negligible compared to the optical transit time, the equation (1) can be simplified as follows:
f - S (2)f - S (2)
TO T O
Da Tq gleich L/c ist kann die Gleichung (2) umgewandelt werden inSince Tq is equal to L / c, equation (2) can be converted into
L die optische Weglänge eines Umlaufes und c die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum ist. L is the optical path length of one revolution and c is the speed of light in free space.
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Wenn sich der Ort der reflektierenden Fläche in einem Ausmaß AL ändert, ändert sich die optische Länge um 2AL und die Schwingungsfrequenz ändert sich umWhen the location of the reflective surface is to an extent AL changes, the optical length changes by 2AL and the oscillation frequency changes by
Mit geeigneter Vorhersage der Änderungen von AL, die in irgendeinem besonderen Fall zu erwarten sind, werden die Bandbreite des HF-Verstärkers sowie m und L für die Betriebsfrequenz des Verstärkers eingestellt. Der Frequenzbareich dieser Systeme kann sich beträchtlich ändern, so lange die Bandbreite des Verstärkers nicht überschritten wird.With appropriate prediction of the changes in AL to be expected in any particular case, the Bandwidth of the RF amplifier and m and L are set for the operating frequency of the amplifier. The frequency bar these systems can vary considerably as long as the bandwidth of the amplifier is not exceeded.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitsbarometers nach der Erfindung. Die Quelle 16 liefert ein divergentes Bündel inkohärenten Lichtes, welches typischerweise oder beinahe Infrarotwellenlängen hat. Eine kollimierende Linse oder Kollektivlinse 38 leitet das Lichtbündel zu dem Strahlteiler 26, der ungefähr der Hälfte des Lichtbündels gestattet, zu einer ersten Doppeldurchgangslinse 40 zu gelangen, die ihrerseits das Lichtbündel auf einen Eingang 42 einer Lichtleitfaser 44 konzentriert. Die Strahlung wird durch die Faser zu dem Faserausgang 46 geleitet. Die Strahlung tritt aus der Faser mit einem Divergenzw.lr.-kel aus und geht durch eine zweite Doppeldurchgangslinsa 48 hindurch, die das Lichtbündel kollimiert. Die Linse ist dicht in ein Steigrohr 50 eingepaßt, welches sich von einem Unterteil 52 aus nach oben erstreckt. Das Rohr und das Unterteil enthalten eine Flüssigkeit 54, wie Quecksilber, mit einer Oberflache 56 in dem Unterteil, die dem Atmosphärendruck ausgesetzt ist, während ein Steigrohrvolumen 58, das zwischen der Linse 48 und einer Steigrohroberflächa 60 gebildet ist, im wesentlichen unter Vakuumbedingungen gehalten wird.Fig. 2 shows a schematic representation of a liquid barometer according to the invention. The source 16 delivers divergent bundle of incoherent light, which typically or near infrared wavelengths. A collimating one Lens or collective lens 38 directs the light beam to the beam splitter 26, which is approximately half of the light beam allows to get to a first double passage lens 40, which in turn directs the light beam to a Input 42 of an optical fiber 44 concentrated. The radiation is directed through the fiber to the fiber exit 46. The radiation emerges from the fiber with a divergence wedge and passes through a second double pass lens 48 which collimates the light beam. The Lens is tightly fitted into a riser 50 which extends from a base 52 upward. The tube and the base contain a liquid 54, such as mercury, with a surface 56 in the base exposed to atmospheric pressure while a riser volume 58 formed between the lens 48 and a riser surface 60 is is maintained essentially under vacuum conditions.
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Die Strahlung aus dem Faserausgang 4 6 wird an der Flüssigkeitsoberfläche 60 reflektiert, durch die Linse 48 zurück in die Faser 44 gekoppelt, zu der Linse 40 zurückgeleitet und durch einen Fokussierspiegel 64 auf einen Detektor 22 fokussiert, nachdem sie durch den Strahlteiler 26 reflektiert worden ist. Ein Detektorausgangssignal 34 wird dem Verstärker 20 zugeführt und eir. Verstärkerausgangssignal 36 wird zum Modulieren der Ausgangsstrahlung 28 der Leuchtdiode 16 benutzt. Da sich die Resonanzfrequenz des Oszillators in Abhängigkeit von der Höhe der Flüssigkeit in dem vertikalen Steigrohr ändert, ist die Schwingungsfrequenz um so höher, je größer der Abstand zwischen den Flüssigkeitsoberflächen in dem Steigrohr und dem Unterteil 52 ist. Durch Messen der Resonanzfrequenz werden deshalb der Abstand zwischen den Flüssigkeitsoberflächen und der Atmosphärendruck bestimmt.The radiation from the fiber exit 4 6 is on the liquid surface 60 reflected, coupled back into fiber 44 by lens 48, passed back to lens 40 and focused on a detector 22 by a focusing mirror 64 after being reflected by the beam splitter 26 has been. A detector output signal 34 is fed to the amplifier 20 and eir. Amplifier output signal 36 is used to modulate the output radiation 28 of the light-emitting diode 16. Because the resonance frequency of the oscillator depending on the height of the liquid in the vertical riser, the oscillation frequency changes the greater the distance between the liquid surfaces in the riser pipe and the lower part 52. Therefore, by measuring the resonance frequency, the distance between the liquid surfaces and the atmospheric pressure is determined.
Die oben für ein Barometer beschriebene Anordnung wird geringfügig modifiziert, so daß sie als Manometer arbeitet und die Druckdifferenz in einem Gefäß mißt, was in Fig. 3 gezeigt ist. Zwei getrennte Oszillatoren sind in dieser Ausführungsform als Einrichtung zum Kompensieren von Änderungen in den Umgebungsbedingungen gezeigt. Eine Fühlerschaltung 66 und eine Referenzsohaltung 68 enthalten jeweils Bauteile, die den in Fig. 2 gezeigten entsprechen. Darüber hinaus hat die Referenzschaltung einen Endrefloktor 70 an der Spitze der Faseroptik. Falls die Umgebungstemperatur in derartigem Ausmaß steigen oder fallen sollte/ daß eine Änderung der effektiven optischen Weglänge der Faser in dem Fühlerschaltungsosziliator verursacht wird, kann der Referenzoszillator benutzt werden, um diese Änderung zu berücksichtigen. Jeder Oszillator hat sein charakteristisches Verstärkerausgangssignal, das abgegriffen und zu einem Mischer 72 geleitet wird. Das Differenz- oder Schwe-The arrangement described above for a barometer becomes minor modified so that it works as a manometer and measures the pressure difference in a vessel, which is shown in FIG is shown. Two separate oscillators are in this embodiment as a means of compensating for changes shown in the environmental conditions. A sensing circuit 66 and a reference latch 68 each include Components corresponding to those shown in FIG. In addition, the reference circuit has an end reflector 70 at the top of the fiber optic. If the ambient temperature should rise or fall to such an extent / causing a change in the effective optical path length of the fiber in the sensing circuit oscillator, the reference oscillator can be used to take this change into account. Every oscillator has its own characteristic Amplifier output signal that is tapped and passed to a mixer 72. The difference or difficulty
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bungsfrequenzsignal 74 korreliert die Frequenzänderung aufgrund von Änderungen in der Lage der Flüssigkeitsoberfläche. Die Differenz zwischen dem Druck im Innern des Tanks 76 und dem Druck oberhalb der Steigrohrflüssigkeitsoberfläche ist einfach das Produkt der Dichte der Flüssigkeit 54 in dem Steigrohr, der Schwerkraft und der Differenz Ah in der Höhe der Flüssigkeit in den beiden Zweigen des Systems.Exercise frequency signal 74 correlates the change in frequency due to changes in the position of the liquid surface. The difference between the pressure inside the tank 76 and the pressure above the riser liquid surface is simply the product of the density of the liquid 54 in the riser, gravity and the difference Ah at the level of the liquid in the two branches of the system.
Eine Abänderung dieser Gerätekonfiguration ist bei der Temperaturmessung von Nutzen. Die beiden Faseroptikwellerleiter sind räumlich getrennt und an jedem von ihnen ist ein Endreflektor 70 angebracht. Sowohl der Ausdehnungskoeffizient als auch der Brechungsindex einer Faseroptik ist zur Temperatur linear proportional. Durch Eintauchen einer der Fasern in das zu überwachende Medium und Isolieren der zweiten Faser von der Temperaturauswanderung dieses Mediums werden deshalb die Oszillatoren bei getrennten und verschiedenen Frequenzen in Resonanz sein. Diese Differenz kann direkt mit der Temperaturänderung in dem überwachten Medium korreliert werden.Changing this device configuration is useful for temperature measurement. The two fiber optic waveguides are spatially separated and an end reflector 70 is attached to each of them. Both the expansion coefficient and the refractive index of fiber optics are linearly proportional to temperature. By immersing one of the fibers in the medium to be monitored and isolating the second fiber from the temperature migration of this medium, the oscillators will therefore be in resonance at separate and different frequencies. This difference can be correlated directly with the temperature change in the monitored medium.
In Fig. 4 ist die Erfindung als Thermometer dargestellt. Der Einfachheit halber ist der Oszillator 10 schematisch dargestellt. Er liefert kollimierte Strahlung, die auf die Flüssigkeitsoberfläche einer in einem mit offenen. Zn- de versehenen Rohr 78 enthaltenen Flüssigkeit trifft. Das Rohr ist in einer Leitung 80 abgestützt, die ein Probe- fluid 82 enthält. Änderungen in der Temperatur des Probe- fluids bewirken, daß sich die Flüssigkeit in dem Rohr 78 entsprechend ausdehnt oder zusammenzieht, und bei geeigneter Eichung ist die Frequenzänderung in dem Fühleroszillator mit den Temperaturänderungen in dem Probefluid durch die Änderungen in der Lage der Steigrohrflüssigkeitsober-In Fig. 4 the invention is shown as a thermometer. For the sake of simplicity, the oscillator 10 is shown schematically. It delivers collimated radiation that hits the liquid surface one in one with open. Zn de tube equipped true liquid contained 78th The tube is supported in a line 80 which contains a sample fluid 82 . Changes in the temperature of the trial fluids cause the liquid expands correspondingly in the tube 78 or contracts, and, with suitable calibration, the frequency of change in the sensor oscillator with the temperature changes in the sample fluid through the changes in the position of the Steigrohrflüssigkeitsober-
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fläche 60 korreliert.area 60 correlates.
Einen weiteren Verwendungszweck der Erfindung zeigt die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform, in welcher die Fluidgeschwindigkeit mit einem Venturirohr 84 bestimmt wird. Der schematisch dargestellte Oszillator 10 ist mit der in Fig. 1 gezeigten und oben ausführlicher beschriebenen Ausführungsform identisch. Die Grundidee des gezeigten Geschwindigkeitsfühlers besteht darin, die Differenz in der Höhe zwischen dem Fluidspiegel in jeden? Schenkel des U-förmigen Manometerrohres 86 zu messen. Mit dieser gemessenen Variablen wird die Geschwindigkeit des durch das Venturirohr hindurchgehenden Fluids gemäß folgender Gleichung bestimmt:Another use of the invention is shown in the embodiment shown in FIG. 5, in which the Fluid velocity is determined with a venturi 84. The oscillator 10 shown schematically is with that shown in Fig. 1 and described in more detail above Embodiment identical. The basic idea of the speed sensor shown is to determine the difference in the height between the fluid level in each? Measure the leg of the U-shaped pressure gauge tube 86. With this measured variable, the velocity of the fluid passing through the venturi becomes as shown in FIG determined by the following equation:
ν - a 2 (Pm-P) gAh ,ß) ν - a 2 (Pm-P) gAh , ß)
ρ (A - aZ) ρ (A - a Z )
wobeiwhereby
ν die Geschwindigkeit des strömenden Fluids, a die Querschnittsfläche des Venturirohresν is the speed of the flowing fluid, a is the cross-sectional area of the venturi
in der Mitte,in the middle,
Pm die Dichte der Flüssigkeit in dem Manometerrohr, Pm is the density of the liquid in the manometer tube,
ρ die Dichte des Fluids, g die Gravitationskonstante,ρ is the density of the fluid, g is the gravitational constant,
Ah die Höhendifferenz der Flüssigkeit in den Manometerschenkelr- rndAh the difference in height of the liquid in the Manometer leg edge
A die Querschnittsfläche des Venturirohres an dem Einlaß ist.A is the cross-sectional area of the venturi at the inlet.
Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6 mit einem Pitotrohr gezeigt. In sehr herkömmlicher Weise wird der freie Strömungsdruck über Öffnungen 88 abgefühlt, während der statische Strömungsdruck über eine Nasenöffnung 90 abgefühlt wird. Mit diesen Drücken werden die beiden Enden eines Manometerrohres 86 beauf-Yet another embodiment of the invention is shown in Figure 6 with a pitot tube. In very conventional Way, the free flow pressure is sensed via openings 88, while the static flow pressure is sensed via a Nostril 90 is sensed. These pressures are applied to the two ends of a manometer tube 86.
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schlagt, welches mit dem bei dem Venturirohr benutzten Rohr identisch sein kann. Die Messung der Höhendifferenz der Flüssigkeit in jedem der Schenkel des Rohres ergibt die Geschwindigkeit der sich an dem Pitotrohr vorbeibewegenden Strömung gemäß folgender Gleichung:suggests, which can be identical to the tube used in the venturi tube. The measurement of the height difference of the liquid in each of the legs of the tube gives the speed of the flow moving past the pitot tube according to the following equation:
2g Ah Pm ,-. 2g Ah Pm , -.
wobeiwhereby
ν die Geschwindigkeit der Fluidströmung üböv das Rohr,ν is the velocity of the fluid flow überöv das Pipe,
g die Gravitationskonstante,g is the constant of gravity,
Ah die Höhendifferenz der Flüssigkeit in den beiden Schenkeln des Manometers, Ah the difference in height of the liquid in the two legs of the manometer,
Pm die Dichte der Flüssigkeit in dem Manometer und ρ die Dichte des strömenden Fluids ist.Pm is the density of the liquid in the manometer and ρ is the density of the flowing fluid.
Ein System zum Abfühlen der Positionsverlagerung eines Maschinenteils, wie einer Welle 92, ist in Fig. 7 als Beispiel für die Vielseitigkeit der Erfindung gezeigt. Sowohl eine Fühlerschaltung als auch eine Referenzschaltung sind an dem Kapillarrohr 94 dargestellt, in das eine Welle 91 eingepaßt ist. Die Arbeitsweise des Systems ist der Arbeitsweise derjenigen Systeme sehr ähnlich, bei denen eine Flüssigkeitsoberfläche benutzt wird, um die optische Energie zurück zu dem Fühleroszillator zu reflektieren. Damit so viel Strahlung wie möglich reflektiere wird, hat die Welle gewöhnlich eine polierte Stirnfläche 96,A system for sensing the positional displacement of a machine part such as a shaft 92 is shown in FIG. 7 as an example of the versatility of the invention. Both a sensing circuit and a reference circuit are shown on the capillary tube 94 into which a shaft 91 is fitted. The operation of the system is very similar to that of systems in which a liquid surface is used to reflect the optical energy back to the probe oscillator. In order to reflect as much radiation as possible, the shaft usually has a polished face 96,
Ein Fühlersystem, bei welchem eine Faseroptik in einer Aneroidbarometerausführungsform benutzt wird, ist in Fig. gezeigt. Eine dicht verschlossene Dose 98 mit einem niedrigen Innendruck und einem starren Fortsatz 100, der sich in einem Gehäuse 102 befindet, ist dem AtmosphärendruckA sensor system using fiber optics in an aneroid barometer embodiment is shown in Fig. shown. A tightly closed can 98 with a low internal pressure and a rigid appendix 100 which Located in a housing 102 is atmospheric pressure
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ausgesetzt. Da die Dose während Änderungen des Umgebungsdruckes als Balg wirken kann, dehnt sie sich entsprechend aus oder zieht sich entsprechend zusammen, was zur Folge hat, daß der starre Fortsatz seine Position in bezug auf das Gehäuse ändert. Diese Positionsänderung wird in der oben beschriebenen Weise abgefühlt und die Frequenz des Oszillators wird mit der Druckänderung korreliert.exposed. Since the can can act as a bellows during changes in the ambient pressure, it expands accordingly from or contracts accordingly, with the result that the rigid extension is in its position with respect to the case changes. This change in position is sensed in the manner described above and the frequency of the The oscillator is correlated with the change in pressure.
?ig. 9 zeigt den elektrooptischen Oszillator nach der Erfindung, der zur Temperaturmessung in Verbindung mit einem Bimetallstreifen 104 benutzt wird. Der Streifen ist durch Endklammern 106 und durch einen starren Fortsatz abgestützt, auf den die Abtaststrahlung des Fühlercszillators gerichtet wird. Der Oszillator ist in der Lage, Positionsänderungen des Bimetallstreifens gegenüber ainer Referenz- oder ungebogenen Position aufzuzeichnen, für die bekannt ist, daß sie bei einer bestimmten Temperatur auftritt, und mit geeigneter Buchhaltung werdendie Änderungen der Position dieses Streifens gegenüber dem Referenzpunkt mit Temperaturänderungen korreliert.? ig. 9 shows the electro-optical oscillator according to the invention, which is used for temperature measurement in connection with a bimetal strip 104. The strip is through End brackets 106 and supported by a rigid extension onto which the scanning radiation of the Fühlercszillators is directed will. The oscillator is able to change the position of the bimetal strip with respect to a reference or unbent Record position known to occur at a particular temperature and appropriate Accounting will change the position of this The strip correlates with temperature changes with respect to the reference point.
Mit den oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsforraen sind die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung noch nicht erschöpft. Beispielsweise kann die optische Quelle entweder ein kohärentes oder ein inkohärentes Bündel sein, das der Targetfläche mit oder ohne Fokussieroptik in Abhängigkeit von Variablen, wie der Intensität der Quelle, der Länge des Wellenleiters und dem Reflexionsvermögen des Targets, zugeführt wird. Die Wellenleiter sind üblicherweise, aber nicht notwendigerweise, Faseroptiken. Einzelne Fasern oder Faserbündel sind für den Faserwellenleiter je nach den Anwendungserfordernissen geeignet. Die Fasern können Monomodefasern für höchste Genauigkeit oder Multimodefasern sein. Alle Arten von Digitalelektronik können ohne weiteresWith the various embodiments described above the possible applications of the invention are not yet exhausted. For example, the optical source can be either be a coherent or an incoherent bundle, depending on the target surface with or without focusing optics of variables such as the intensity of the source, the length of the waveguide and the reflectivity of the target, is fed. The waveguides are usually, but not necessarily, fiber optics. Single fibers or Fiber bundles are suitable for the fiber waveguide depending on the application requirements. The fibers can be single mode fibers for maximum accuracy or multimode fibers. All kinds of digital electronics can easily
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mit dem Signal versorgt werden, das über den Ausgangskoppler zur Verfügung steht, was die Erfindung sehr vielseitig macht.be supplied with the signal via the output coupler is available, which makes the invention very versatile.
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